王曉剛 嚴永林 王紹平

（中南林業(yè)科技大學(xué)機電工程學(xué)院，湖南 長沙 410004）

鑒于化石能源的有限性和對自然環(huán)境的破壞性，增加能源結(jié)構(gòu)中可再生能源的使用比例已刻不容緩[1-3]。其中，生物質(zhì)能源具有原料多、分布廣的特點，大力推廣生物質(zhì)能源的使用可緩解對化石能源的依賴[4-6]。我國生物質(zhì)能資源產(chǎn)量巨大，其中農(nóng)作物秸稈資源最為豐富。據(jù)統(tǒng)計，我國每年農(nóng)作物秸稈理論資源量約為8～9億 t（風(fēng)干后重量）[7-9]。從品種上看，稻草占比25.1%，麥秸占比18.3%，玉米秸占比32.5%，棉稈占比3.1%，油料作物秸稈（主要為油菜和花生）占比4.4%[10-11]。農(nóng)林剩余物的綜合利用對于環(huán)境治理、能源節(jié)約以及農(nóng)林業(yè)可持續(xù)發(fā)展意義重大。

然而，由于農(nóng)林剩余物結(jié)構(gòu)較為疏松，運輸不便且直接燃燒效率較低[12-14]。故應(yīng)采用生物質(zhì)固化成型技術(shù)將農(nóng)林剩余物在生物質(zhì)固化成型壓塊機上進行擠壓加工以獲得密度較高、運輸便利的固體壓塊產(chǎn)品[15-16]。若在擠壓過程中添加膠黏劑，則制成的壓塊可作為建筑材料，實現(xiàn)固碳的目的。

基于此，本文對影響生物質(zhì)壓塊成型的幾種主要因素進行探究，采用正交試驗的方法分析其對生物質(zhì)壓塊成型質(zhì)量的影響。本研究可為后續(xù)生物質(zhì)壓塊成型機的設(shè)計與計算提供理論依據(jù)和數(shù)據(jù)支撐。

1 材料與方法

1.1 方法

本研究采用正交試驗法，具體操作如下：

1）選擇對生物質(zhì)壓塊成形影響較大的試驗因素；

2）根據(jù)相關(guān)研究資料確定單一試驗因素的較優(yōu)區(qū)間，并設(shè)計出合適的正交表；

3）根據(jù)試驗方案準(zhǔn)備試驗設(shè)備及試驗材料，隨后進行試驗并進行多次重復(fù)試驗，逐一記錄試驗數(shù)據(jù)取平均值；

4）對試驗結(jié)果進行分析，確定對壓塊成型影響因素的主次順序和最佳的多因素水平組合。

根據(jù)已有研究可知，影響生物質(zhì)固體成型的主要因素有成型壓強、成型保壓時間、原料含水率、原料顆粒度等[17-19]。其中，原料顆粒度主要影響成型塊的表面質(zhì)量，因而不作為本研究正交試驗的考慮因素。原料顆粒度固定為1～3 mm，將壓制壓強(A)、含水率(B)、保壓時間(C)作為變量值進行正交試驗，每個因素確定三個水平。

木質(zhì)顆粒的成型含水率約為8%～12%[20-22]，而壓塊的成型條件低于顆粒成型，可適當(dāng)提高原料的含水率。通過對木質(zhì)碎料的成型壓力、成型時間和成型含水率的單因素試驗研究發(fā)現(xiàn)，成型壓強在低于30 MPa，成型時間低于10 s時，生物質(zhì)壓塊成型質(zhì)量較差[23-24]?？紤]到節(jié)能的原則，將生物質(zhì)原料的含水率分別設(shè)定為15%、20%和25%。生物質(zhì)壓塊的密度隨壓強及保壓時間的增大而增大?？紤]到經(jīng)濟性以及可行性的原則，將生物質(zhì)原料的成型壓強分別設(shè)定為30、35 MPa和40 MPa，并將生物質(zhì)原料的保壓時間分別設(shè)定為10、20、30 s。本研究的正交試驗因素水平如表1所示。

表1 正交試驗因素水平表Tab.1 Orthogonal factors table

1.2 設(shè)備及原料

主要設(shè)備有：HX100壓模機，武漢華中科技大熱加工工程研究所；1000y型高速多功能粉碎機，永康市鉑歐五金制品有限公司；101型電熱鼓風(fēng)干燥箱，北京市永光明醫(yī)療儀器有限公司；便攜式粗糙度儀(TR240）型，廣州市廣精精密儀器有限公司；WT20002K電子天平，石家莊市金砝碼儀器設(shè)備有限公司；游標(biāo)卡尺，蘇州寶航機電有限公司；8411型振篩機，濟寧市翰業(yè)機械設(shè)備有限公司；北玻100 mL玻璃量筒，濟南魯儀醫(yī)療科技有限公司。

木質(zhì)素是生物質(zhì)原料中蘊含的復(fù)雜有機化合物，在生物質(zhì)壓塊成型過程中起粘結(jié)作用。林業(yè)剩余物的木質(zhì)素平均含量約為25%，而農(nóng)業(yè)剩余物的木質(zhì)素平均含量約為16%。故作為壓塊的原料，林業(yè)剩余物相較于農(nóng)業(yè)剩余物易成型、所需的工藝參數(shù)要求相對較低、所制取壓塊產(chǎn)品質(zhì)量較好。本試驗以木材加工廠的松木碎料為原料，去除其中的雜質(zhì)后晾曬備用。隨后將其粉碎并過篩，取顆粒度為1～3 mm的木粉裝袋備用。

采用烘干法對木粉含水率進行測定，其含水率約為13.7%，隨后根據(jù)試驗要求，對其進行含水率的調(diào)配。將木粉均勻分成三份，每份1 kg。根據(jù)測得的含水率，求得每份木粉中的絕干木粉質(zhì)量為863 g，水的質(zhì)量為137 g。計算公式如下：

式中：D為所需試樣含水率，%；A為應(yīng)加水量，g；B為原有含水量，g；C為試樣總質(zhì)量，g。

通過上式計算可知，為獲得含水率分別為15%、20%和25%的木粉，所需添加的水量分別為15.3、78.76 mL和150.66 mL。隨后用量筒量取所需水量后將水裝入噴壺中，均勻地噴在木粉表面并充分攪拌，隨后裝袋密封，靜置一天以使其中的水分擴散均勻。

1.3 試驗步驟

首先將所用固定尺寸的方形模具固定在HX-100型壓模機上，并將下模沖放入，等待其慢慢滑下。稱取50.2 g（木粉易灑落，故多稱取0.2 g，計算壓塊密度時應(yīng)以具體壓塊質(zhì)量為準(zhǔn)）木粉倒入模腔內(nèi)，隨后放入上模沖并正對壓模板。將壓強設(shè)定為擠壓壓強后，再啟動壓模機。提起液壓推桿使得物料向上移動，當(dāng)原料接觸到模腔，其間的壓強逐漸增大至設(shè)定值，隨后壓強保持不變。此時壓模機對物料進行保壓，同時計時器開始計時。當(dāng)達到預(yù)設(shè)的保壓時間時，關(guān)閉壓模機，并向下按壓推桿使得物料向下移動，壓模機卸載，并手動卸下模具。將模具放于架子上，隨后下模沖自動滑落，用錘子敲擊上模沖，使得壓塊滑出模腔。取出后測量壓塊的質(zhì)量與尺寸，計算出壓塊密度，重復(fù)試驗三次取平均值。

根據(jù)水平因素表的試驗因素和水平數(shù)可以設(shè)計出正交表L9（34），即共需進行9組試驗。

2 結(jié)果與分析

試驗完成之后，需對試驗數(shù)據(jù)進行處理。分別從壓塊密度、表面粗糙度以及抗跌碎性等三方面評價壓塊產(chǎn)品的質(zhì)量。

密度主要是采用電子秤稱取其重量以及游標(biāo)卡尺量取其尺寸，隨后使用密度公式求得；表面粗糙度則是使用便攜式粗糙度儀(TR240）型測取；抗跌碎性主要采取觀察法。本研究的試驗方案及結(jié)果如表2所示。

表2 正交試驗方案設(shè)計及結(jié)果統(tǒng)計Tab.2 Orthogonal test scheme design and result statistics

壓塊產(chǎn)品的質(zhì)量主要從以下三個方面評定：壓塊密度越大，說明壓塊內(nèi)部分子間結(jié)合越緊密，壓塊質(zhì)量越好；壓塊表面粗糙度越小說明壓塊表面越光滑，即壓塊越易從壓縮室內(nèi)滑出，壓塊質(zhì)量越好[25]；壓塊抗跌碎性越好，說明滑塊在運輸過程中越不易散落，壓塊質(zhì)量越好。由表2可知，不同試驗方案下的壓塊產(chǎn)品的密度、表面粗糙度、抗跌碎性均有差異，其中密度是三個因素中差異性較大且更為重要的因素，故隨后需對壓塊密度進行試驗分析，正交試驗的擠壓成型壓塊實物圖如下圖1所示。

圖1 正交試驗擠壓成型壓塊實物圖Fig.1 Picture of extruded block in orthogonal experiment

計算各單因素水平（壓制壓強、松木粉含水率、保壓時間）對平均試驗指標(biāo)和(Kjm)的影響，進而可確定較優(yōu)組合水平。平均試驗指標(biāo)和(Kjm)指的是第j列因素m水平所對應(yīng)的試驗指標(biāo)和的平均值。試驗因素有A（壓制壓強）,B（含水率）和C（保壓時間）。各個因素的平均試驗指標(biāo)及結(jié)果如表3所示。

表3 試驗結(jié)果分析Tab.3 Analysis of test results

由表3可知，壓制壓強的三個不同水平（30、35、40 MPa）所對應(yīng)的平均試驗指標(biāo)和關(guān)系如下：KA3＞KA2＞KA1。即壓制壓強的3水平（40 MPa）要優(yōu)于其他兩個水平；含水率的三個不同水平（15%、20%、25%）所對應(yīng)的平均試驗指標(biāo)和關(guān)系如下：KB1＞KB2＞KB3。即含水率的1水平（15%）要優(yōu)于其他兩個水平；保壓時間的三個不同水平（10、20、30 s）所對應(yīng)的平均試驗指標(biāo)和關(guān)系如下：KC2＞KC1＞KC3。即保壓時間的2水平（20 s）要優(yōu)于其他兩個水平。故較優(yōu)因素水平組合為A3B1C2。

3 結(jié)論

1）由正交試驗結(jié)果可知，A3B1C2為三個重要因素的較優(yōu)組合，即松木粉的含水率為15%，壓制壓強為40 MPa，保壓時間為20 s。經(jīng)后續(xù)試驗驗證，在該條件下獲得的壓塊密度為0.823 g/cm3，表面粗糙度為3.871μm。壓塊密度較高、表面光滑、光亮度高且無顆粒脫落。此類壓塊可適當(dāng)加入粘合劑用于建筑用材。

2）當(dāng)壓塊產(chǎn)品用于燃燒而非建筑用材時，為提高其生產(chǎn)率，可適當(dāng)提高生物質(zhì)原料的含水率以及適當(dāng)降低壓制壓強與保壓時間。即可將含水率調(diào)整為20%，壓制壓強調(diào)整為30 MPa，保壓時間調(diào)整為10 s。單獨試驗測得在該條件下獲得的壓塊密度為0.632 g/cm3，生產(chǎn)效率高且壓塊產(chǎn)品較易于燃燒。此類壓塊可用于替代化石能源的燃燒。